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Tipos de vidrio en las pantallas LCD TFT

Bienvenido a la Universidad Riverdi. En esta conferencia hablaremos de los diferentes tipos de vidrio de las pantallas LCD TFT y de las superficies que utilizamos para proteger las pantallas, o que podemos utilizar para proteger con el vidrio todo el dispositivo

Hablaremos de los distintos tipos de vidrio de las pantallas LCD TFT, de los tratamientos superficiales, de lo que hacemos para conseguir distintos parámetros en las superficies de vidrio, de la dureza, importante cuando queremos proteger algo, de la pintura del vidrio, de cómo lo hacemos y de lo que podemos conseguir, del índice IK, de cuánto impacto mecánico podemos aplicar al vidrio y de si resistirá aún así y, por último, del vidrio laminado, de por qué laminamos el vidrio y de lo que podemos conseguir haciéndolo.

¿Por qué hablamos de vidrio en las pantallas LCD TFT?

Lo más importante del cristal en las pantallas LCD TFT es proteger la pantalla, pero no sólo eso. Como se puede ver en las imágenes de arriba, el cristal es un elemento del diseño de los dispositivos. Hace que los dispositivos tengan mejor aspecto y puede diseñarse de forma que proteja no sólo la pantalla, sino toda la superficie de un dispositivo, como por ejemplo en el caso de la máquina de café de la imagen superior, donde tenemos una pantalla con algún gráfico adicional que cubre toda la parte frontal del dispositivo. El vidrio es uno de los mejores materiales que utilizamos en electrónica para proteger las pantallas, porque es muy duro y difícil de rayar. Es mecánicamente fuerte, barato y excepcionalmente bueno en óptica. En el caso del vidrio, el índice de transparencia suele ser superior al 90% o incluso al 95%. Está ampliamente disponible, conocemos muchas técnicas para fabricarlo y prepararlo para algunos diseños especiales avanzados, ya que hoy en día podemos cambiar la forma del vidrio con bastante facilidad.

Ahora hablaremos de los tipos de cristal que utilizamos para proteger pantallas y dispositivos. Principalmente utilizamos dos tipos de vidrio en las pantallas LCD TFT, uno es el vidrio reforzado químicamente, que llamamos vidrio tipo CS, y el otro es el vidrio templado térmicamente, vidrio endurecido en el que utilizamos temperatura caliente para hacerlo más resistente. Para nuestros productos estándar solemos utilizar en las pantallas táctiles vidrio reforzado químicamente. Nuestro grosor estándar es de 1,1 milímetros. Este tipo de vidrio es bastante resistente, en comparación con el vidrio normal. El refuerzo químico significa que tratamos la superficie con iones, normalmente iones de plata. Aumentamos la resistencia de la superficie del cristal porque el cristal suele romperse cuando se rompe la superficie. No cambiamos el vidrio internamente con el refuerzo químico, sólo cambiamos la dureza de la superficie, y es suficiente para que el vidrio sea mucho más resistente.

Como puede ver en la tabla anterior, con el refuerzo químico podemos hacer que el vidrio sea incluso 6 u 8 veces más resistente mecánicamente que el normal. Es un proceso muy largo; puede durar varias horas, y necesitamos temperatura caliente, 400 grados o más. El vidrio templado térmicamente es una forma distinta de reforzar el vidrio. Utilizamos temperatura caliente y enfriamiento muy rápido para que el vidrio sea más resistente. En este proceso necesitamos una temperatura más alta, 700 grados, pero es mucho más rápido, sólo se tarda unos minutos, y conseguimos un vidrio fuerte, de 4 a 5 veces más fuerte que el vidrio flotado normal. El vidrio templado térmicamente no es tan resistente como el vidrio reforzado químicamente. Es más barato, pero no podemos utilizarlo para vidrio fino. El vidrio más fino que podemos templar térmicamente es de 3-4 milímetros. Si el vidrio es más fino, con la temperatura caliente empieza a flotar y la superficie no volverá a ser plana. Por lo tanto, si tenemos un cristal grueso, sería más barato utilizar la solución de templado térmico. Por eso es más popular. Para el vidrio más fino utilizamos el refuerzo químico, porque no podemos utilizar la solución de templado térmico.

Ahora hablaremos de la otra diferencia entre estos dos métodos de refuerzo del vidrio. En la parte izquierda de la imagen de arriba, se puede ver un cristal reforzado químicamente roto, y en la parte derecha hay un cristal templado térmicamente roto. El vidrio reforzado químicamente se rompe como el vidrio normal porque no modificamos la parte interna del vidrio. Sólo reforzamos la superficie, pero por dentro el vidrio es el mismo que el vidrio flotado normal, y se rompe igual. El vidrio templado térmicamente cambia la estructura interna del vidrio y se rompe en trozos muy pequeños. En muchos casos es mejor porque es más seguro para las personas, por eso normalmente utilizamos vidrio templado térmicamente en los coches o en lugares donde la rotura de un cristal puede herir a las personas.

Otra propiedad o tipo de vidrio del que hablaremos es Optiwhite y Float. Float es el vidrio más común que utilizamos en diseños arquitectónicos, pero también en muchas pantallas táctiles. El vidrio flotado es el más común, el más popular y el más barato, pero a veces tenemos requisitos específicos. A veces necesitamos una muy buena reproducción del color, sobre todo de los colores claros, del color blanco. Luego usamos un cristal llamado Optiwhite. Para ello hay que quitar el hierro del cristal. El vidrio flotado tiene un poco de hierro que lo hace verde o verdoso. Si miramos directamente a través del cristal, puede que no lo veamos, pero si miramos como desde un ángulo, podemos ver el color verde. Si ponemos un fondo blanco, también veremos un poco este color verdoso. Por eso, si hay requisitos específicos, utilizamos Optiwhite, que merece la pena tener en cuenta especialmente si tiene un fondo blanco. Por lo general, el Optiwhite es un poco más caro, por lo que vale la pena consultar con el fabricante de la pantalla lo que podemos utilizar en nuestro caso.

Ahora sabemos cómo se fabrica el vidrio, cómo se refuerza, cómo se rompe y qué tipos de vidrio, Float y Optiwhite, tenemos. Para continuar, hablaremos de los tratamientos de superficie distintos del refuerzo. Los otros tratamientos que utilizamos son antirreflejos, antihuellas, antirreflejos y antibacterias. Sobre el tratamiento antirreflejos hemos hablado en otro vídeo sobre
el contraste y el brillo de las pantallas LCD de exterior
. En ese clip estaba demostrando lo mucho que puede aumentar el contraste la superficie antirreflectante. Antideslumbrante es, como su nombre indica, un poco de desenfoque de la imagen, pero la luz que se refleja no es como la del espejo, ya no es deslumbrante.

En la imagen de arriba hay ejemplos de vidrio. Una de ellas es un poco borrosa, es antirreflejos, y la otra es clara, es antirreflejos. En el pasado, el cristal antideslumbrante era más popular y se utilizaba en algunos aparatos comerciales, pero posteriormente los fabricantes han comprobado que los aparatos con cristal antideslumbrante se venden con menos frecuencia que los antideslumbrantes. Es porque como humanos pensamos que hay algo malo en una imagen un poco borrosa aunque los reflejos sean menores. Cuando estamos en una tienda y miramos teléfonos, no vemos la imagen con claridad y pensamos que hay algo mal y que no queremos ese aparato. Por eso ya no vemos cristales antirreflejos en los productos de consumo. Todo es deslumbramiento en los productos de consumo, puede ser antirreflectante o puede ser sólo regular sin ningún tratamiento de superficie. Pero en el mercado profesional en el que trabajamos, como el de los dispositivos médicos o militares, tenemos muchos proyectos en los que utilizamos tratamientos antirreflejos y antirreflejantes, ambas soluciones para reducir los reflejos y aumentar el contraste.

A continuación, tenemos el tratamiento antihuellas. Todos tenéis esto en vuestros teléfonos y sabéis cómo funciona. Funciona mejor o peor, normalmente peor, por lo que podemos ver muchos dedos sobre todo cuando el antihuellas va unido al tratamiento antirreflejos. En el antirreflejo no vemos las huellas porque está borroso. Por tanto, ambas soluciones tienen ventajas e inconvenientes diferentes. Como último tratamiento tenemos las superficies antibacterianas. Incluso hay superficies probadas contra el covirus. Podemos utilizarlos en algunos casos especiales, para dispositivos médicos o de uso público. Se trata de un mercado importante y en crecimiento, porque cada vez tenemos más pantallas en lugares públicos, por ejemplo en McDonald’s u otros lugares con cajeros automáticos donde tocamos las pantallas e intercambiamos bacterias con otras personas. En estos casos es realmente importante contar con tratamientos antibacterianos de superficie, por eso los ofrecemos, normalmente para pantallas más grandes para soluciones públicas.

Hablemos ahora de la dureza del vidrio en las pantallas LCD TFT. Por supuesto, para hablar de dureza hay que medirla. Para ello tenemos la escala de Mohs, en la que hay 11 niveles diferentes de dureza. Como ves en la imagen de arriba, el10 es diamante y el1 es charla. Lo que normalmente utilizamos es vidrio con una dureza entre 5 y 7. En algunos casos también utilizamos cristal Gorilla con dureza 9. Se utiliza en nuestros teléfonos o tabletas. Como puede ver, podemos alcanzar una dureza de 7 con vidrio reforzado químicamente y normalmente de 6 con vidrio reforzado térmicamente. El cristal Gorilla también es un cristal reforzado químicamente, patentado por la empresa Corning y es el más resistente que se puede conseguir en el cristal de cubierta para proteger la pantalla.

Esta escala se refiere a la dureza de la superficie: lo difícil que es rayarla. Como usted sabe, incluso el vidrio con dureza 9 puede ser rayado, todo el mundo tiene algunos arañazos en su teléfono porque esta capa dura es muy delgada – 10 micrómetros solamente. Si ejercemos suficiente fuerza y rompemos esta barrera, entonces tenemos un vidrio blando con dureza 6 o incluso inferior, por eso tenemos los arañazos.

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Un par de palabras más sobre Gorilla Glass. Ahora existe la sexta generación de Gorilla Glass en el mercado. El objetivo de la empresa Corning y Gorilla Glass es que el cristal sea lo más resistente y ligero posible, porque la mayoría de los casos son dispositivos de mano, en los que queremos que el cristal sea ligero, por eso queremos que sea muy fino. También hay otras empresas que fabrican equivalentes de Gorilla Glass, como Dragontrail de AGC o Xensation de Shott. No son tan populares, pero en muchos móviles o tabletas del mercado se pueden encontrar este tipo de cristales.

Hablemos ahora del cuadro. Conocemos los tipos de vidrio que utilizamos en las pantallas LCD TFT, sabemos cómo hacer que el vidrio sea más resistente, conocemos los tratamientos de superficie, cómo hacer que el vidrio sea menos reflectante o antihuellas o antibacteriano, pero no es suficiente porque el vidrio sólo será transparente. Si queremos cubrirlo, tenemos que pintarlo. Normalmente, pintamos el vidrio con la técnica llamada Serigrafía. Es la técnica más popular, barata y rápida.

Cuando hacemos la serigrafía, necesitamos una pantalla para cada color, así que para minimizar el coste, intentamos reducir el número de colores a 2-4, como el fondo y el logotipo de color. Cada color es un proceso diferente, hay que esperar a que se seque la pintura anterior y luego hay que poner otra pantalla e imprimir otro color. Más colores significa un proceso más largo y, por supuesto, un coste más elevado. Por supuesto, podemos cambiar la forma del vidrio, podemos hacer esquinas redondeadas o diseño personalizado del vidrio, pero es caro porque primero es sólo la pieza rectangular, entonces usted necesita para ir a la máquina CNC para hacer la forma adecuada del vidrio.

La otra técnica de impresión que utilizamos hoy en día es la impresión por chorro. Es como una impresora normal que se utiliza en la oficina. Puede imprimir todos los colores, incluso pinturas. Este proceso es largo y caro, por lo que se reserva para aplicaciones especiales, pero podemos hacerlo si es necesario.

https://youtu.be/2aph02TMeyk

Ahora hablaremos de la protección mecánica contra impactos. Es diferente de la dureza superficial de la que hablábamos antes. En la imagen superior, tenemos la prueba y la escala para medir la resistencia mecánica del vidrio, es decir, cuánta energía podemos aplicar al vidrio antes de que se rompa. Se mide en tasa IK. IK tasa es una escala en la que tenemos diferentes niveles y la energía diferente que va a impulsar. Por ejemplo, si queremos probar IK 9, tenemos que tomar una masa de 5 kilogramos desde una altura de 200 milímetros. La masa se mantiene por encima del vidrio sometido a prueba mediante un electroimán, luego simplemente lo dejamos caer y vemos si se rompe o no. Si no, por supuesto que se supera la prueba.

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Si el vidrio no ha superado la prueba, podemos intentar cambiar el tipo de vidrio de templado térmico a reforzado químicamente o pasar a un vidrio más grueso.

El último punto de este artículo es el vidrio laminado. Laminamos el vidrio por varias razones. En primer lugar, qué es el vidrio laminado. El vidrio laminado consiste en colocar la lámina dentro de dos hojas de vidrio. Este proceso es caro, necesitamos presión, necesitamos temperatura, necesitamos tiempo y necesitamos un entorno excepcionalmente limpio, porque cuando laminamos juntas dos láminas de vidrio, tenemos que estar seguros de que no entran partículas. Este tipo de proceso debe realizarse en una sala blanca, por lo que es caro, pero como se ve en la imagen de arriba, aunque el cristal se rompa, sigue aguantando gracias a la película laminada que lleva en su interior.

Laminamos el vidrio principalmente por dos razones. Uno es la resistencia mecánica y el impacto. Lo utilizamos incluso en nuestros hogares. Muchas de las ventanas que se utilizan hoy en día son antivandálicas, es decir, de vidrio laminado, y son extraordinariamente resistentes. La otra razón para laminar el vidrio es poner una película en el interior con algunas propiedades, normalmente para bloquear la luz UV o IR. IR significa infrarrojos, es decir, calor, y UV significa ultravioleta, longitud de onda corta, extremadamente peligrosa para la electrónica. Cuando tenemos una aplicación en exteriores, algunos clientes quieren proteger las pantallas, las pantallas táctiles o las pantallas de papel electrónico también contra los rayos UV. A continuación, utilizamos vidrio laminado y, como puede ver en el gráfico anterior, tanto la lámina de corte IR como la lámina de corte UV son transparentes para la luz visible. Podemos ver todo a través de ellas, pero lo que está más arriba y lo que está más abajo queda cortado por las películas UV e IR. La mayoría de las veces sólo utilizamos película de corte UV porque los rayos UV son más peligrosos, por ejemplo, hacen que los sensores de película de las pantallas táctiles capacitivas se vuelvan amarillos o pueden disminuir el contraste de la pantalla TFT (Thin Film Transistor) dañando el polarizador o los filtros de color. La película IR se utiliza en algunas aplicaciones para proteger la pantalla del calor. Si lo añadimos, podemos disminuir la temperatura de la superficie de la pantalla. En otro vídeo hablábamos de High-TN, es decir, cristales líquidos que pueden funcionar a temperaturas muy elevadas. Para este tipo de cristales líquidos, no suele ser necesario reducir la temperatura de la superficie porque pueden llegar hasta los 100 o 110 grados, pero las pantallas normales pueden funcionar hasta los 50 o 70 grados de temperatura máxima. El uso de la película de corte IR puede resolver el problema del ennegrecimiento y el aumento excesivo de la temperatura de la pantalla.